東京府出身。フルート奏者林リリ子は従姉。光の父である林義雄は慶應義塾大学医学部卒業の医師で、ベルリン留学ののち、日本大学医学部教授を務めていた。「音声学の権威であり、臨床医としても、ほとんどの声楽家や演劇人のノドを診てきた名医であった」。尾高尚忠とはベルリン留学中に知り合い、帰国後も親しく交流していた。10歳の頃より父の親友である尾高尚忠に師事し、少年ながらも室内楽作品、管弦楽作品など大人顔負けの作品を多く作曲した。尾高が「フルート協奏曲」改訂版の最終ページのオーケストレーションを残して1951年に急逝した際、それを補筆完成したのは当時19歳の林光であった。尾高の死後は池内友次郎に師事した。また、慶應義塾高等学校在学当時、同校で教鞭を執っていた遠山一行の授業を受けたことを終生誇りにしていた。高校での同窓にフルート奏者でリリ子の門下である峰岸壮一や演劇の浅利慶太などがおり、音楽と演劇の接点を体験した。東京藝術大学作曲科に入学し、作曲を池内友次郎、ピアノを田村宏、安川加寿子に師事する。在学中、学外作品発表を巡る学校側の対応や体質に疑問を抱き、中退した。作品では、合唱組曲『原爆小景』が特に有名である。また日本語によるオペラの可能性を求めて多くのオペラを書き、オペラシアターこんにゃく座の座付き音楽監督、作曲家を務めた。1953年には外山雄三、間宮芳生らと共に「山羊の会」を旗揚げした。このほか、宮沢賢治の音楽作品を広める活動も行った。映画音楽も多数手がけているが、中でも新藤兼人監督作品は、1959年の『第五福竜丸』から遺作『一枚のハガキ』まで、そのほとんどを担当した。著作に『日本オペラの夢』（岩波書店）、『林光音楽の学校』（一ッ橋書房）他。「ソング」と呼ぶ小規模な歌曲作品には労働運動や平和運動に関係したものも多い。また、日本教職員組合の教育研究全国集会音楽分科会の助言者（講師）を長く務めた。2度の尾高賞（1955年、1996年）、第30回サントリー音楽賞（1998年）など受賞多数。1996年に紫綬褒章を受章している。2012年1月5日、東京都内の病院で死去した。2011年9月24日に自宅前で転倒して頭を打ち、入院、療養していた。80歳没。
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1988年に参加したロッテ主催の「ロッテ CMアイドルはキミだ!コンテスト'88」で3代目グランプリを獲得し（第1回のグランプリ獲得者は立花理佐、第2回は相川恵里、第4回は宍戸留美）、翌1989年4月にシングル「四月白書」で歌手デビュー。以後は歌手活動をするとともに同社製品のテレビCMに出演し、テレビ番組にもレギュラーで出演していたが、1993年頃より目立った活動が見られなくなった。京都弁を交えたおっとりしたしゃべり方が特徴だった。東海地区ローカル番組の5時SATマガジンでは、終始いじられポジションで大竹まことや永島浩之、前島正義(いんぐりもんぐり)に番組中でしょっちゅうからかわれていた。しかしサブ司会のYOU不在時に代役を務めていた。
広島県広島市安佐南区出身。浄土真宗（安芸門徒）の根強い地域に生まれ育つ。しかし、中学・高校はカトリックのノートルダム清心中学校・高等学校に通う。早稲田大学第一文学部美術史学専修卒業。卒論の題名は「地獄絵の東西比較」だった。学生時代より、映画製作を志し、映画制作会社などの就職面接を受けるも、ことごとく落ちるが、テレビマンユニオンの面接担当だった是枝裕和監督に意気込みを見出され、映画『ワンダフルライフ』にフリーのスタッフとして参加する。以後、諏訪敦彦監督の『M/OTHER』など、様々な日本映画の現場で活動した。2002年、自作脚本のブラックコメディ『蛇イチゴ』（主演：宮迫博之）で監督デビュー。日本の典型的な家族の崩壊をシニカルに描いた同作は、第58回毎日映画コンクール・脚本賞、”最も将来性を期待できる監督に与えられる”新藤兼人賞ほか、その年の数々の国内映画賞の新人賞を受賞する。製作は是枝裕和。2003年、NHKハイビジョンスペシャルでは、ドキュメンタリーと架空のドラマを交差させた、異色のテレビ作品『いま裸にしたい男たち/宮迫が笑われなくなった日』を発表。第20回ATP賞・ドキュメンタリー部門優秀賞を受賞した。2005年、監督5名の競作によるオムニバス『female』では、乃南アサ原作の短編小説を脚色・演出した「女神のかかと」（主演：大塚寧々）を発表。2006年、再びオリジナル脚本・監督した『ゆれる』が公開。カンヌ国際映画祭の監督週間に、日本映画で唯一正式出品。2006年度、キネマ旬報ベスト・テン2位、及び脚本賞、朝日ベストテン映画祭日本映画1位、毎日映画コンクール日本映画大賞、東京スポーツ映画大賞（ビートたけし審査委員長）作品賞、おおさかシネマフェスティバル日本映画1位、ブルーリボン賞監督賞などを受賞。これらの映画賞で、作品賞・監督賞部門での受賞は女性監督では史上初。また、同作の脚本は、2007年2月に読売文学賞の戯曲・シナリオ賞も受賞する。2006年、9月創刊の男性誌『月刊キング』に、コラム「モノゴト（名作）はいつもアイマイ」を連載。2007年1月にはオムニバス映画『ユメ十夜』（原作：夏目漱石）が公開。同年4月からは、読売新聞の読書委員として、日曜日（随時）に書評を執筆している。また、映画『ゆれる』を自らノベライズした同名小説（ポプラ社）が、第20回三島由紀夫賞の候補となった。2008年6月に、初の読書案内集『名作はいつもアイマイ』（講談社）を、7月にはポプラ社のPR誌『asta*』で、読切小説「1983年のほたる」、2009年1月に「ありの行列」を発表。この2篇に書き下ろし3篇を加えた、3年ぶりの単行本『きのうの神さま』をポプラ社から2009年4月15日に刊行。同作は第141回直木賞候補となり、受賞は逃すも、選考委員である浅田次郎から「はっきりと文学である」と評価された。2009年6月にオリジナル脚本・監督による長編3作目『ディア・ドクター』（主演：笑福亭鶴瓶）が公開。キネマ旬報ベスト・テンで日本映画1位、2度目のブルーリボン賞監督賞、芸術選奨新人賞など数多くの賞を受賞した。2010年、NHK-BS2で放送された『太宰治短編小説集』のうち、『駆込み訴え』（主演：清水くるみ）の脚本・監督を担当。ユダとキリストの関係を、ボランティア活動に携わる現代の女子高生に置き換えて表現している。2012年9月、オリジナル脚本・監督による長編4作目『夢売るふたり』公開。2015年には小説『永い言い訳』で第28回山本周五郎賞候補、第153回直木賞候補。2016年に自身により映画化。本作で第71回毎日映画コンクール・監督賞を受賞。